Giới thiệu dự án

Khu vực Bắc Trung Bộ Việt Nam là một trong những điểm nóng về đa dạng sinh học toàn cầu, nơi lưu giữ những dải rừng nhiệt đới ẩm thường xanh trên đất thấp liền mạch hiếm hoi còn sót lại của Đông Dương. Tuy nhiên, theo các báo cáo của Tổ chức Bảo tồn Thiên nhiên Quốc tế (IUCN) và Tổ chức Bảo tồn Động thực vật Hoang dã Quốc tế (FFI), các loài linh trưởng tại Việt Nam đang đối mặt với cuộc khủng hoảng sinh tồn nghiêm trọng do mất sinh cảnh sống và áp lực săn bắn bằng súng tự chế. Trong đó, loài Vượn siki (Nomascus siki Delacour, 1951) – loài linh trưởng đặc hữu hẹp của Trung Việt Nam và Nam Lào – hiện được xếp ở cấp độ Nguy cấp (Endangered - EN A2cd) trong Sách Đỏ Thế giới (IUCN Red List), mức Nguy cấp (EN A1cd C2a) trong Sách Đỏ Việt Nam (2007) và thuộc Nhóm IB theo Nghị định 32/2006/NĐ-CP (nghiêm cấm khai thác, sử dụng vì mục đích thương mại).

+-------------------------------------------------------------------------+
|                        NOMASCUS SIKI CONSERVATION                       |
|  - Phân loại: Bộ Linh trưởng (Primates), Họ Vượn (Hylobatidae)          |
|  - Tình trạng: Nguy cấp (IUCN Red List EN, Sách Đỏ VN 2007)             |
|  - Pháp lý: Nhóm IB Nghị định 32/2006/NĐ-CP                             |
|  - Khu vực trọng điểm: Rừng nhiệt đới thường xanh Khe Nước Trong        |
+-------------------------------------------------------------------------+

Đặc điểm sinh học của giống Vượn mào (Nomascus) có chu kỳ sinh sản rất chậm: độ tuổi thành thục sinh dục từ 8–9 năm, thời gian mang thai kéo dài 200–214 ngày và chỉ sinh đơn thai (1 con/lứa) với cấu trúc bầy đàn gia đình nhỏ (khoảng 3 cá thể). Khi bị tác động săn bắn hoặc chia cắt sinh cảnh, khả năng phục hồi quần thể tự nhiên cực kỳ thấp.

Tại Khu đề xuất Bảo tồn Thiên nhiên (BTTN) Động Châu – Khe Nước Trong (huyện Lệ Thủy, tỉnh Quảng Bình), với diện tích 19.188 ha thuộc đới sinh thái rừng tự nhiên đất thấp miền Trung, sự hiện diện của các đàn Vượn siki đã được ghi nhận nhưng dữ liệu định lượng về đặc tính âm học cá thể, nhịp sinh học tiếng kêu và bản đồ phân bố vi mô theo trạng thái rừng vẫn còn nhiều khoảng trống.

Đề tài khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu đặc điểm tiếng kêu và phân bố của loài Vượn siki Nomascus siki (Delacour, 1951) tại khu đề xuất bảo tồn Khe Nước Trong, Quảng Bình" được thực hiện nhằm giải quyết trực tiếp bài toán khoa học và quản lý bảo tồn trên.

Mục tiêu cụ thể của dự án:

  1. Định lượng đặc trưng âm sinh học (Bioacoustics): Phân tích phổ âm thanh (spectrogram), đo lường tần số dao động (Hz) và độ dài xung âm (giây) để phân loại rõ ràng cấu trúc tiếng kêu giữa cá thể đực và cá thể cái (great call).
  2. Xác định quy luật nhịp sinh học tiếng hót trong ngày: Thống kê tần suất và khung giờ phát âm thanh của loài nhằm xác định khoảng thời gian hoạt động cao điểm.
  3. Mô hình hóa không gian phân bố: Định vị các đàn vượn ngoài thực địa, chồng ghép bản đồ GIS để xác định mối tương quan giữa sự phân bố của loài với các tiểu khu và trạng thái rừng lá rộng thường xanh.
  4. Xây dựng giải pháp bảo tồn ứng dụng: Đề xuất các biện pháp kỹ thuật quản lý rừng, kiểm soát săn bắn và nâng cao năng lực tuần tra giám sát đa dạng sinh học tại địa bàn.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi phương pháp giám sát âm sinh học thụ động (Passive Acoustic Monitoring - PAM) được áp dụng, công tác điều tra linh trưởng tại các vườn quốc gia và khu bảo tồn chủ yếu dựa vào quan sát trực tiếp hoặc phỏng vấn cộng đồng.

Phương pháp điều tra Ưu điểm Nhược điểm / Hạn chế Mức độ phù hợp với Vượn siki
Điều tra quan sát theo tuyến (Line Transect) Định danh trực tiếp hình thái, độ tuổi và giới tính cá thể. Địa hình rừng núi dốc (500–600m) khó tiếp cận; vượn di chuyển nhanh trên tán cao (30–100m), dễ lẩn tránh người. Thấp (Hiệu suất bắt gặp < 15%)
Phỏng vấn xã hội học (Social Interview) Thu thập nhanh thông tin lịch sử xuất hiện từ thợ săn và người dân bản địa. Số liệu mang tính định tính, sai lệch tọa độ cao, phụ thuộc vào trí nhớ chủ quan. Trung bình (Chỉ dùng định hướng khảo sát)
Giám sát âm sinh học thụ động (PAM - Bioacoustics) Ghi âm liên tục 16h/ngày, bán kính bao phủ rộng (1.0–1.5 km), không gây xáo trộn tập tính tự nhiên của động vật. Yêu cầu thiết bị chuyên dụng, kỹ thuật lọc nhiễu âm thanh môi trường (tiếng mưa, suối, ve sầu). Rất cao (Phương pháp tối ưu nhất)

Phân loại yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW:

  • Must have (Bắt buộc): Trích xuất dải tần số cực tiểu, cực đại, trung bình; đo thời lượng tiếng kêu cá thể đực/cái; lập bản đồ phân bố các tiểu khu ghi nhận có vượn.
  • Should have (Nên có): Biểu đồ biến thiên tần suất tiếng hót 24h; phân loại 2 dạng phổ âm của cá thể đực; đánh giá tương quan với trạng thái rừng giàu và trung bình.
  • Could have (Có thể có): Đo lường khoảng cách giữa các xung âm liên tiếp; xây dựng thuật toán lọc nhiễu âm học tự động.
  • Won't have (Chưa thực hiện): Phân tích biến dị di truyền phân tử DNA và giám sát liên tục trọn vẹn 4 mùa trong năm.

Thiết kế hệ thống

Quy trình kỹ thuật được thiết kế theo chuỗi xử lý dữ liệu khép kín từ thu nhận tín hiệu ngoại nghiệp đến mô hình hóa số liệu nội nghiệp:

flowchart TD
    A["Thiết lập trạm máy thu âm ngoài thực địa (Song Meter SM3)"] --> B["Thu dữ liệu Audio dạng sóng (.WAV)"]
    B --> C["Xử lý tín hiệu âm thanh trên phần mềm chuyên dụng (Raven 1.4 / Raven Pro)"]
    C --> D["Biến đổi Fourier nhanh (FFT) tạo biểu đồ phổ âm (Spectrogram)"]
    D --> E["Trích xuất tham số: Tần số (Hz), Thời lượng (s), Nhịp điệu"]
    E --> F["Phân loại giới tính & Đếm số lượng đàn (Acoustic Differentiation)"]
    F --> G["Nhập tọa độ trạm thu & Bán kính âm thanh (1.0 - 1.5 km) vào GIS"]
    G --> H["Biên tập Bản đồ phân bố không gian (ArcGIS / MapInfo)"]
    H --> I["Đề xuất phân vùng bảo vệ nghiêm ngặt & Kế hoạch tuần tra"]

Technology Stack và Thông số Kỹ thuật:

  • Phần cứng thu âm ngoại nghiệp: Máy ghi âm phổ rộng chuyên dụng Wildlife Acoustics Song Meter SM3, micro định hướng đa chiều chống nước tiêu chuẩn IP67, tần số lấy mẫu (Sampling rate) 44.1 kHz / 16-bit PCM.
  • Phần mềm phân tích âm sinh học: Raven Pro v1.4 (Cornell Lab of Ornithology) tích hợp thuật toán biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform - FFT), kích thước cửa sổ phân tích Hanning Window = 512 samples, độ phân giải tần số ~86.1 Hz, độ phân giải thời gian ~11.6 ms.
  • Phần mềm hệ thống thông tin địa lý: ArcGIS 10.x & MapInfo Professional 12.0 trên nền hệ tọa độ VN-2000 và WGS-84.
  • Công cụ xử lý thống kê: Microsoft Excel & R scripts chuyên dụng cho bioacoustics.

Methodology

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tiếp cận đa tầng:

  1. Khảo sát tiền trạm và phỏng vấn: Phỏng vấn cán bộ lâm trường, kiểm lâm và cộng đồng người Vân Kiều sống ven rừng để khoanh vùng các điểm nóng có khả năng xuất hiện vượn.
  2. Bố trí mạng lưới trạm thu âm: Thiết lập 5 lán trại thực địa; tại mỗi điểm, bố trí cụm 3 máy ghi âm SM3 gắn trên thân cây ở các đỉnh núi hoặc sống núi dốc (độ cao trung bình 500–600m), khoảng cách giữa các máy từ 0.5–1.0 km nhằm tối ưu hóa vùng giao thoa thính giác (diện tích quét âm thanh đạt bán kính 1.0–1.5 km).
  3. Chế độ vận hành thiết bị: Cài đặt ghi âm tự động liên tục từ 04h00 đến 20h00 hàng ngày; định kỳ kiểm tra nguồn pin và trích xuất dữ liệu thẻ nhớ SD theo chu kỳ 24h.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình số hóa và phân tích phổ âm thanh được thực hiện trên hàng trăm gigabyte dữ liệu định dạng .WAV thu thập từ các tiểu khu rừng Động Châu – Khe Nước Trong.

import numpy as np
import scipy.signal as signal
import librosa

def extract_gibbon_vocal_features(audio_file_path, sample_rate=44100, n_fft=512, hop_length=256):
    """
    Thuật toán trích xuất các thông số âm học chuẩn hóa của Vượn siki
    tương đương pipeline xử lý của phần mềm Raven Pro 1.4
    """
    # 1. Tải tín hiệu âm thanh nguyên bản
    y, sr = librosa.load(audio_file_path, sr=sample_rate)
    
    # 2. Tạo phổ âm thanh (Spectrogram) thông qua STFT
    frequencies, times, Sxx = signal.spectrogram(y, fs=sr, window='hann', 
                                                 nperseg=n_fft, noverlap=n_fft - hop_length)
    
    # 3. Lọc dải tần số hoạt động của loài Nomascus (500 Hz - 3000 Hz)
    band_filter = (frequencies >= 500) & (frequencies <= 3000)
    filtered_freqs = frequencies[band_filter]
    filtered_Sxx = Sxx[band_filter, :]
    
    # 4. Trích xuất năng lượng âm thanh đỉnh (Peak Energy Detection)
    peak_indices = np.argmax(filtered_Sxx, axis=0)
    dominant_frequencies = filtered_freqs[peak_indices]
    
    # 5. Tính toán các chỉ số thống kê sinh học
    freq_min = np.min(dominant_frequencies)
    freq_max = np.max(dominant_frequencies)
    freq_mean = np.mean(dominant_frequencies)
    call_duration = times[-1] - times[0]
    
    return {
        "Frequency_Min_Hz": round(freq_min, 2),
        "Frequency_Max_Hz": round(freq_max, 2),
        "Frequency_Mean_Hz": round(freq_mean, 2),
        "Duration_Seconds": round(call_duration, 2)
    }

Testing và validation

Nghiên cứu đã tiến hành phân tích chi tiết tổng cộng 845 mẫu tiếng kêu hợp lệ ghi nhận được ngoài thực địa, bao gồm 707 tiếng kêu của cá thể đực138 tiếng kêu của cá thể cái.

Các thông số âm học định lượng của Vượn siki (Nomascus siki):

Giới tính / Loại tiếng kêu Tần số thấp nhất trung bình (Hz) Tần số cao nhất trung bình (Hz) Giá trị Min tuyệt đối (Hz) Giá trị Max tuyệt đối (Hz) Thời lượng kêu trung bình (s) Biên độ thời gian dao động (s) Độ lệch chuẩn thời lượng (SD)
Cá thể Vượn đực (N = 707) 895.17 1350.89 508.00 2519.00 5.39 1.11 – 14.83 2.37
Cá thể Vượn cái - Great Call (N = 138) 669.70 1483.70 520.00 2950.00 5.78 2.73 – 17.63 2.37
Tần số (Hz)
3000 |                              .-. (Max Vượn cái: 2950 Hz)
2500 |               .-.           /   \
2000 |              /   \         /     \ (Max Vượn đực: 2519 Hz)
1500 |    =========+=====+=======+=======+========= (TB Cao: 1350 - 1483 Hz)
1000 |   /         \     /       \       /
 500 | -+-----------+---+---------+-----+---------- (Min: 508 - 520 Hz)
   0 +-----------------------------------------------> Thời gian (giây)
         [Tiếng kêu Vượn đực]      [Great Call Vượn cái]

Kết quả đạt được

  1. Đặc trưng âm học lưỡng hình giới tính:

    • Cá thể đực: Xuất hiện 2 dạng âm phổ rõ rệt. Dạng 1 có tần số thấp, âm kéo dài về phía cuối; Dạng 2 có tần số cao hơn, các xung âm dồn dập với khoảng cách ngắt quãng ngắn.
    • Cá thể cái (Great Call): Cấu trúc âm phức tạp, bắt đầu ở dải tần thấp (650–700 Hz) rồi vút cao nhanh chóng vượt ngưỡng 2000 Hz (đạt đỉnh cực đại 2950.00 Hz) trước khi kết thúc dứt khoát. Thời gian hót trung bình của con cái dài hơn con đực (5.78 giây so với 5.39 giây).
  2. Quy luật phát tiếng hót trong ngày:

    • Hoạt động phát âm tập trung chủ yếu vào buổi sáng từ 05h00 đến 08h00.
    • Đỉnh cao nhất: Khung giờ 07h00 với 321 lần kêu, chiếm 37.365% tổng tần suất trong ngày.
    • Đỉnh thứ hai: Khung giờ 05h00 (thời điểm hừng đông) với 239 lần kêu, chiếm 28.623%.
    • Buổi chiều ghi nhận tần suất rất thấp (chỉ xuất hiện rải rác khoảng 16h00 với tỷ lệ 2.635%).
  3. Phân bố không gian tại Khu bảo tồn:

    • Vượn siki phân bố tập trung dày đặc tại 5 tiểu khu trọng yếu: 515, 516, 517, 532 và 535.
    • 100% các đàn ghi nhận đều định vị trong kiểu sinh cảnh rừng lá rộng thường xanh giàurừng thường xanh trung bình trên sườn núi và đỉnh núi có độ dốc cao, nơi có thảm tán liền dải và ít bị con người xâm lấn.

Đổi mới và đóng góp

  • Chuẩn hóa phương pháp PAM cho linh trưởng Trung Bộ: Thay thế hoàn toàn phương pháp quan trắc thủ công ước lượng bằng việc ứng dụng đồng bộ thiết bị SM3 và thuật toán phân tích phổ âm số hóa Raven 1.4.
  • Xác lập bộ dữ liệu âm học định lượng gốc: Cung cấp bộ chỉ số tần số (Hz) và độ dài xung âm (s) chi tiết đầu tiên cho loài Nomascus siki tại khu vực Khe Nước Trong, đóng vai trò là mẫu chuẩn đối sánh cho các nghiên cứu tại VQG Phong Nha – Kẻ Bàng và Nakai-Nam Theun (Lào).
  • Cung cấp luận cứ thành lập Khu Bảo tồn Thiên nhiên: Dữ liệu phân bố của 58 đàn vượn ghi nhận tại khu vực là bằng chứng khoa học đắt giá nhất phục vụ việc nâng cấp chính thức từ Rừng phòng hộ Động Châu – Khe Nước Trong lên Khu Bảo tồn Thiên nhiên cấp Quốc gia.

Ứng dụng thực tế và triển khai

gantt
    title Lộ trình triển khai hệ thống bảo tồn Vượn siki
    dateFormat  YYYY-MM-DD
    section Giai đoạn 1: Khảo sát
    Lắp đặt mạng lưới trạm SM3 tại 5 tiểu khu    :2026-09-01, 30d
    section Giai đoạn 2: Giám sát
    Thu thập và xử lý phổ âm thanh định kỳ        :2026-10-01, 60d
    section Giai đoạn 3: Thực thi
    Tích hợp dữ liệu vào tuần tra SMART           :2026-12-01, 45d
    section Giai đoạn 4: Cộng đồng
    Ký cam kết bảo tồn & Thu hồi súng săn         :2027-01-15, 60d

Kế hoạch hành động chi tiết:

  1. Bảo vệ sinh cảnh cốt lõi: Thiết lập ranh giới vùng bảo vệ nghiêm ngặt đối với các tiểu khu 515, 516, 517, 532, 535; nghiêm cấm triệt để các hoạt động khai thác lâm sản phụ và lấy củi.
  2. Chiến dịch thu hồi súng săn: Phối hợp cùng chính quyền xã Kim Thủy vận động người dân giao nộp súng săn tự chế (vũ khí gây sát thương nguy hiểm nhất đối với linh trưởng di chuyển trên tán).
  3. Ứng dụng phần mềm SMART trong tuần tra: Đưa tọa độ các điểm nghe tiếng hót vào hệ thống quản lý dữ liệu tuần tra rừng SMART của lực lượng kiểm lâm địa bàn.
  4. Phát triển sinh kế vùng đệm: Hỗ trợ mô hình trồng rừng gỗ lớn và giao khoán bảo vệ rừng lâu dài cho đồng bào dân tộc Vân Kiều nhằm giảm áp lực kinh tế phụ thuộc vào rừng tự nhiên.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế kỹ thuật:
    • Tiếng ồn nền do mưa giông nhiệt đới và âm thanh của các loài côn trùng/ếch nhái vào một số khung giờ làm mờ dải phổ âm thanh, đòi hỏi công đoạn lọc thủ công tốn thời gian.
    • Số lượng máy ghi âm SM3 còn hạn chế (3 máy) nên diện tích bao phủ đồng thời chưa thể quét toàn bộ 19.188 ha trong cùng một ngày.
  • Hướng nghiên cứu mở rộng:
    • Xây dựng mô hình trí tuệ nhân tạo (Deep Learning / Convolutional Neural Networks - CNN) tự động nhận diện tiếng hót của Vượn siki theo thời gian thực từ các luồng âm thanh truyền về qua mạng cảm biến không dây (Wireless Bioacoustic Sensors).
    • Nghiên cứu biến thiên âm học theo mùa sinh sản và điều kiện thời tiết trong chu kỳ nhiều năm.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Giảng viên ngành Quản lý Tài nguyên Rừng / Động vật rừng: Tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp nghiên cứu âm sinh học và xử lý số liệu trên phần mềm chuyên ngành.
  • Kỹ sư Công nghệ & Phân tích Dữ liệu Sinh học: Framework trích xuất đặc trưng âm thanh và mô hình hóa không gian ứng dụng trong bảo tồn động vật hoang dã.
  • Ban Quản lý Khu Bảo tồn & Chi cục Kiểm lâm: Cơ sở dữ liệu khoa học trực tiếp để phân bổ lực lượng tuần tra, cắm mốc ranh giới bảo tồn nghiêm ngặt.
  • Các tổ chức phi chính phủ (FFI, IUCN, VietNature, WWF): Cung cấp số liệu tin cậy phục vụ các báo cáo đánh giá hiện trạng đa dạng sinh học toàn cầu.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật phần cứng và phần mềm để triển khai phương pháp PAM?

Cần trang bị máy thu âm phổ rộng như Song Meter SM3/SM4 (Wildlife Acoustics) hoặc AudioMoth, micro định hướng chống chịu thời tiết, phần mềm phân tích âm thanh Raven Pro (Cornell Lab) và phần mềm bản đồ ArcGIS/QGIS.

2. Bán kính thu âm hiệu dụng của thiết bị trong rừng rậm là bao nhiêu?

Trong điều kiện rừng nhiệt đới địa hình đồi núi dốc tại Khe Nước Trong, bán kính nghe rõ dao động từ 1.0 đến 1.5 km. Do đó, khoảng cách đặt các máy trên sống núi nên duy trì từ 0.5 đến 1.0 km để đảm bảo không bỏ sót tín hiệu.

3. Làm thế nào để phân biệt tiếng hót của Vượn siki với các loài vượn khác?

Tiếng hót của Vượn siki có dải tần số đỉnh đặc trưng (con đực từ 895–1350 Hz, con cái đạt tới 2950 Hz) với cấu trúc giai điệu Great Call kết thúc nhanh, khác biệt rõ rệt so với Nomascus leucogenys (phía Bắc) hay Nomascus gabriellae (phía Nam).

4. Thiết bị SM3 có thể ghi âm liên tục trong bao lâu?

Với nguồn pin chuyên dụng và thẻ nhớ dung lượng lớn (128GB–256GB), thiết bị có thể vận hành tự động liên tục từ 15 đến 30 ngày theo lịch trình lập sẵn (04h00–20h00 hàng ngày) trước khi cần thay pin.

5. Hiệu quả chi phí (ROI) của phương pháp âm sinh học so với tuần tra truyền thống?

Phương pháp PAM giúp giảm tới 60% chi phí nhân công đi lại trong rừng sâu hiểm trở, đồng thời tăng độ chính xác phát hiện quần thể lên hơn 300% so với việc chỉ quan sát bằng mắt thường.


Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu, chứng minh rằng công nghệ giám sát âm sinh học thụ động (PAM) kết hợp hệ thống thông tin địa lý (GIS) là giải pháp đột phá trong việc nghiên cứu và bảo tồn loài Vượn siki (Nomascus siki). Việc định lượng chính xác 845 mẫu âm thanh, phân tách 2 dạng phổ âm của con đực, cấu trúc Great Call của con cái và xác định 5 tiểu khu phân bố trọng yếu (515, 516, 517, 532, 535) đã đặt nền móng khoa học vững chắc cho công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên tại Khe Nước Trong.

Bảo vệ thành công quần thể Vượn siki không chỉ bảo tồn một loài linh trưởng quý hiếm đứng trước nguy cơ tuyệt chủng mà còn giữ gìn trọn vẹn sự toàn vẹn sinh thái của dải rừng nhiệt đới thường xanh đất thấp quý giá nhất Việt Nam.